DE19905721A1 - Gasventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gasventil mit elektromagnetischer Betätigung, insbesonders als Brennstoffeinspritzventil für Gasmotoren, mit einem über den Anker eines ansteuerbaren Elektromagneten betätigbaren Dichtelement zwischen dem oder jedem Brennstoffzulauf und dem oder jedem Brennstoffablauf und zumindest einer auf das Dichtelement wirkenden Schließfeder.

Bei herkömmlichen Gasmotoren nach dem Otto-Prinzip wird das Brennstoff- Gas in der Saugleitung zugemischt und dann den Zylindern zugeführt. Dabei sind beispielsweise Regelventile und statische Mischer im Einsatz. Diese Systeme sind jedoch für Systeme mit elektronischer Brennstoffeinspritzung zu unhandlich. Daher wurden über Magnete geschaltete Gasdüsen eingesetzt, die den Brennstoff zudosieren und brennfähiges Gemisch im gesamten Zuleitungs­ system erzeugen. Für den Einsatz in Nutzfahrzeugen ist man aufgrund der bei herkömmlichen Gasventilen zu geringen Durchlaßquerschnitten gezwungen, eine Bündelung von typischerweise bis zu zwölf dieser Gasventile vorzunehmen, um ausreichende Querschnitte zu erzielen (entsprechend einer bei PKWs üblichen Zentraleinspritzung). Aus diesem Grund sind Gasmotoren, beispielsweise Erdgas(CNG - compressed natural gas)-, Flüssiggas(LPG - liquified purified gas)- oder Wasserstoff-Motoren derzeit auch nur ohne Aufladung, d. h. mit atmosphärischem Druck, zu betreiben und erreichen typischerweise etwa 145 kW.

Zum Zwecke der besseren Regelbarkeit, besseren Brennstoffnutzung und günstigeren Schadstoffemissionen werden jedoch Systeme bevorzugt, die mit der sogenannten sequentiellen Treibstoffeinblasung (auch unter der Bezeichnung Multi-Point-Einspritzung bzw. Ported-Gas-Admission) arbeiten und jedem Zylinder individuell sein brennfähiges Gemisch über separate Injektoren oder Ventile zuführen. Dabei muß auch nicht im gesamten Ansaugsystem brennfähiges Gemisch vorliegen, und die Brennstoffeinspritzung erfolgt hauptsächlich nur während des Ansaugtaktes des jeweiligen Zylinders. Die derzeit bekannten Ventile sind jedoch für eine Anwendung in derartigen Systemen ungeeignet, da sie zu geringe Durchlaßquerschnitte von maximal 4 bis 5 mm² aufweisen, so daß - was aber aus baulichen Gründen kaum möglich ist - zwei Ventile bei atmo­ sphärischen und drei Ventile bei aufgeladenen Motoren pro Zylinder notwendig wären. Andererseits ist aber die Forderung nach größerem Durchlaßquerschnitt mit immer größeren Schwierigkeiten bei der Erzielung der geforderten kurzen Schaltzeiten und der dabei erforderlichen hohen Dosiergenauigkeit verbunden, die sich speziell im Leerlauf- und Teillastbereich mit geringem mittleren Druck besonders auswirkt.

Es war daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Gasventil mit gleichzeitig großem Durchlaßquerschnitt und kürzesten Schalt- und Ansprech­ zeiten zu schaffen, das auch für den Einsatz in Multi-Point-Systemen bzw. Ported-Gas-Admission-Systemen und bei aufgeladenen Motoren, insbesondere bei Gasmotoren für Nutzfahrzeuge, geeignet ist. Eine zusätzliche Aufgabe war daher in leichtes und doch stabiles Dichtelemente, welches die nötige rasche Bewegbarkeit durch kleine Elektromagnete mit sicherer Dichtwirkung vereint.

Die erste Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Gasventil als Flachsitzventil mit einem ebenen Ventilsitz und einem Dichtelement mit zumindest einer, diesem Ventilsitz zugewandten ebenen Dichtfläche ausgeführt ist. Mit dieser Konstruktion lassen sich hohe Ventilquerschnitte von bis zu 10 mm² bei sehr kleinen Schaltzeiten verläßlich und sicher schalten, so daß sich mit einem derartigen Gasventil auch bei Leerlaufdrehzahl bzw. bei Teillast die notwendigen Steuerzeiten von unter 1 ms mit hoher Genauigkeit erzielen lassen.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, daß der Brennstoffzulauf vorzugsweise radial in einen den Ventilsitz unterhalb des Dichtelementes umgebenden Ringraum mündet. Dadurch ergibt sich eine gute Ver­ gleichmäßigung der Brennstoffströmung vor dem Dichtelement des Ventils und die durchgelassene Gasmenge wird nicht durch strömungstechnische Phänomene nachteilig beeinflußt.

Die weitere Aufgabe wird mit einem Gasventil mit zumindest einer Dicht­ leiste in Form einer geschlossenen Kurve, vorzugsweise im wesentlichen kreisförmig, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Dichtelement eine der Anzahl an Dichtleisten proportionale Anzahl von dem Verlauf der Dichtleisten folgenden Umfangsstegen aufweist, von welchen zumindest je zwei durch zumin­ dest einen radialen Steg, vorzugsweise eine Gruppe von radialen Stegen, miteinander verbunden sind. Diese voneinander beabstandeten Stege decken im wesentlichen nur die Dichtleisten ab und gestatten aber den Zutritt des Gases zu allen diesen Dichtleisten. Bei entsprechend maximiertem Durchlaßquer­ schnitt ist dabei aber der Materialeinsatz, damit das Gewicht, und auch die Angriffsfläche für den Differenzdruck zwischen Zuström- und Abströmseite minimiert, wobei durch die Gitterstruktur des Dichtelementes eine die Dicht­ wirkung ausreichend sicherstellende Festigkeit gegeben ist.

Eine mechanisch sehr stabile Ausführung ist gegeben, wenn zumindest ein radialer Steg, vorzugsweise alle radialen Stege, vom Zentrum des Dichtelemen­ tes ausgehen und alle Umfangsstege miteinander verbinden.

Um einen optimalen Kompromiß zwischen mechanischer Festigkeit und geringem Gewicht zu erreichen, nimmt gemäß einem weiteren Merkmal der Erfin­ dung die axiale Höhe der radialen Stege vom Zentrum zum Rand des Dichtele­ mentes hin ab.

Zur einfachen und bezüglich der Einleitung der Betätigungskräfte günsti­ gen Anbindung an ein Betätigungselement ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß das Dichtelement eine zentrale Bohrung zur Aufnahme eines Betätigungsele­ mentes aufweist.

Um eine möglichst stabile Anbindung an das Betätigungselement zu sichern und die Möglichkeit zur Kopplung mit zusätzlichen, die Bewegung des Dichtele­ mentes beeinflussenden Bauteilen zu geben, ist der zentrale Bereich buchsen­ artig axial verlängert.

Vorteilhafterweise ist das Dichtelement als Spritzgußteil aus Kunst­ stoff, vorzugsweise aus einem Polymer, angefertigt, wodurch bei leichter Ausführung auch eine weitestgehende Verschleißminderung des Ventilsitzes gewährleistet ist.

Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung ist der Ventilsitz durch zumindest zwei vorzugsweise konzentrische Dichtleisten gebildet, die einen ringförmigen Durchtrittsquerschnitt definieren, der durch ein vorzugsweise ringförmiges Dichtelement abgedeckt ist, und sind Gaspassagen zu beiden Dichtleisten vorgesehen, wobei die Gaspassagen zur äußeren Dichtleiste vorzugsweise durch den oder jeden Brennstoffzulauf und den allfälligen Ringraum und die Gaspassagen zur inneren Dichtleiste vorzugsweise durch zumindest einen vorzugsweise radialen Brennstoffzulauf, Ausnehmungen im allfälligen Stempel und die zentrale Ausnehmung des vorzugsweise ringförmigen Dichtelementes gebildet sind. Damit stehen zwei Ringflächen für die Durch­ strömung durch das Brenngas zur Verfügung, wodurch sich bei gleichen Schalt- und Steuerzeiten eine Vergrößerung des Durchlaßquerschnittes um fast das Doppelte ergibt. So sind bei Steuerzeiten von unter 1 ms Ventilquerschnitte um 15 mm² schon bei nur zwei Dichtleisten möglich.

Um bei derartigen Gasventilen die auf das Dichtelement einwirkenden Kräfte des Öffnung- und Schließsystems aufzunehmen und Verformungen durch diese in verschiedenen Bereichen des Dichtelementes angreifenden Kräfte zu verhindern ist vorgesehen, daß der Anker über einen Stempel auf das Dicht­ element einwirkt. Damit ist eine großflächige, keine verformenden Momente hervorrufende Anlage und Krafteinleitung gewährleistet. Der Stempel kann aber durch seine große Kontaktfläche mit dem Dichtelement gleichzeitig auch Verformungsmomente durch andere Systemkomponenten verhindern und so die Dichtwirkung sicherstellen.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß die oder jede Schließfeder auf den Stempel einwirkt, vorzugsweise auf ein verbreitertes, zur Anlage am Dicht­ element vorgesehenes Endstück. Die Schließkraft der Feder(n) wird dadurch über den Stempel großflächig auf das Dichtelement eingeleitet und kann weder zu die Dichtheit beeinträchtigenden Verformungen des Dichtelementes noch zu punktuellen Überbeanspruchungen oder Materialbeschädigungen führen.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist zur Sicherung der Dicht­ wirkung und der Leichtgängigkeit des Gasventils dieses dadurch gekennzeich­ net, daß zumindest eine Schließfeder das Dichtelement bzw. den Stempel auch radial in Richtung auf die Mittelachse der Ablauföffnung hin mit einer zentrierenden Kraft beaufschlagt. Das Dichtelement bleibt somit immer in der optimal abdichtenden zentrierten Position und auch seine Bewegung bleibt dadurch leichtgängig, daß ein Scheuern oder Reiben an einer Seitenwandung des Ventilgehäuses verhindert ist.

Eine sehr einfache und dennoch funktionssichere Konstruktionsvariante ist dadurch gekennzeichnet, daß eine den Stempel umgebende Schraubenfeder als Schließfeder vorgesehen ist, die sich zum Dichtelement hin bzw. zum Stempel hin konisch verjüngt. Damit ist durch einen einzigen Bauteil sowohl die Schließwirkung als auch die Zentrierung des Dichtelementes bewerkstelligt.

Wenn gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung zumindest eine, das Dichtelement in Öffnungsrichtung beaufschlagende Öffnungsfeder vorgesehen ist, kann selbst für große Öffnungsquerschnitte und entsprechend große Dichtelemente ein rasches, sicheres und von Druckverhältnissen im System im wesentlichen unabhängiges Abheben des Dichtelementes vom Ventilsitz erzielt werden, wobei die Öffnungsfeder die Wirkung des Elektromagneten optimal unterstützt. Darüberhinaus kann eine oftmals schwierig herzustellende zug­ feste Verbindung des Dichtelementes mit der Betätigungsanordnung vermieden werden, da das Abheben des Dichtelementes vom Ventilsitz durch die Wirkung der Öffnungsfeder erfolgen kann. Es können damit für jeden separaten Bauteil die optimalen Werkstoffe verwendet werden.

Das Ansprechverhalten und die Steuerzeiten sowohl für das Öffnen als auch das Schließen des Ventils gleich rasch sein, um die erforderliche Dosiergenauigkeit im gesamten Drehzahlbereich gewährleisten zu können, auch im Leerlauf und bei Teillast. Deshalb ist gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgesehen, daß die Differenz der Kräfte von Schließfedern- und Öffnungsfedernanordnung dem Betrag nach im wesentlichen gleich der Differenz der Kräfte des Elektromagneten und der resultierenden Kraft der Federnanord­ nung ist. Dadurch ergeben sich sowohl für das Öffnen als auch das Schließen gleiche Kräfte und damit auch im wesentlichen gleiche Steuer- und Ansprech­ zeiten.

In der nachfolgenden Beschreibung wird die Erfindung anhand von einigen in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Fig. 1 zeigt dabei ein Gasventil mit kleinerem Ventilquer­ schnitt, mit einer Dichtleiste, Fig. 2 ist ein Gasventil mit zwei Dichtleis­ ten und daher größerem Ventilquerschnitt, Fig. 3 ist ein Schnitt entlang der Linie III-III der Fig. 2, Fig. 4 zeigt ein Gasventil mit großem Ventilquer­ schnitt durch mehrere konzentrische Dichtleisten und mit einem leichten Dichtelement gemäß einer weiteren Ausführungsform, Fig. 5a und 5b stellen eine andere Ausführungsform des Dichtelementes in vergrößertem Maßstab dar und Fig. 6 ist ein Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gasventils.

In der Fig. 1 ist als erste Ausführungsform ein Gasventil dargestellt, das aus einem Ventilkörper 1 und einer auf ein Außengewinde dieses Ventil­ körpers 1 aufgeschraubten Magnetspannmutter 2 besteht. Der Ventilkörper 1 enthält den Ventilsitz 3, hier eine - für kleinere Ventilquerschnitte­ einfache ebene Dichtleiste mit im wesentlichen kreisförmiger Ausführung. Der gasförmige Brennstoff bzw. das brennfähige Gemisch, beispielsweise Erdgas, Flüssiggas oder auch Wasserstoff, tritt durch die vorzugsweise radialen Brennstoffzuläufe 4 in einen Ringraum 5 im Ventilkörper 1 ein, wobei aber auch andere Eintrittsstellen oder Eintrittsrichtungen möglich sind. So könnte der gasförmige Brennstoff bzw. das brennfähige Gemisch auch durch zumindest einen axialen Kanal in den Ventilkörper 1 eintreten, der beispielsweise auch durch oder seitlich der Magnetspannmutter verlaufen kann.

Im Ringraum 5, der der Vergleichmäßigung der Gasströmung zur Verbesserung des Durchtritts durch das Ventil dient, ist auch zumindest eine, vorzugsweise als Schraubenfeder ausgeführte Öffnungsfeder 6 eingesetzt, welche das Dichtele­ ment 7 aus vorzugsweise Kunststoff mit einer Kraft in Öffnungsrichtung des Ventils beaufschlagt.

Der Ringraum 5 ist vorzugsweise unterhalb der Dichtleiste 3 und des Dichtele­ mentes 7 angeordnet, jedoch ist ein Vergleichmäßigungsraum auch oberhalb dieser Teile denkbar. In jedem Fall wird damit eine nachteilige Beeinflussung der Durchströmung des freigegebenen Ventilquerschnittes durch Strömungsphäno­ mene verhindert, so daß immer der gesamte Öffnungsquerschnitt optimal durch­ strömt wird und die maximal mögliche Menge an Gas das Ventil passieren kann. Von der entgegengesetzten Seite der Öffnungsfeder 6 wirkt zumindest eine stärkere Schließfeder 8 auf das Dichtelement 7 ein, wobei vorzugsweise eine sich zum Dichtelement 7 hin konisch verjüngende Schraubenfeder als Schließfe­ der 8 vorgesehen ist. Die Schließfeder 8 wirkt aber nicht direkt auf das Dichtelement 7 ein, sondern auf den verbreiterten, im wesentlichen scheiben­ förmigen Endteil 9 eines Stempels 10, welchen Stempel 10 die Schließfeder 8 vorzugsweise umgibt. Der Endteil 10 verhindert Verformungen des vorzugsweise losen Dichtelementes 7, welche beispielsweise durch die radial gegeneinander versetzten Angriffslinien der Öffnungsfeder 6 und der Schließfeder 8 bewirkt werden könnten und die Dichtheit des Ventils nachteilig beeinflussen. Die Konizität der Schließfeder 8 bewirkt neben der Schließfunktion auch gleich­ zeitig eine Zentrierung des Stempels 10 und damit auch des Dichtelementes 7 über dem Ventilsitz.

Die Öffnungsfeder 6 bzw. die gesamte Öffnungsfedernanordnung ist natürlich schwächer als die Schließfeder 8 bzw. die gesamte Schließfedernanordnung, wobei vorteilhafterweise die Differenz der Kräfte von Schließ- und Öffnungs­ feder betragsmäßig gleich der Differenz der Kräfte von Elektromagnet und Federnanordnung ist.

Im vorliegenden Fall ist weiters keine auf Zug belastbare Verbindung zwischen Dichtelement 7 und Stempel 10 gegeben, so daß die Öffnungsfeder 6 unbedingt notwendig ist, um das Dichtelement 7 von der Dichtleiste 3 abzuheben und das Ventil zu öffnen. Um nämlich eine ausreichende Festigkeit und auch Maßhaltig­ keit des Stempels 10 und auch des verbreiterten Endteils 9 zu gewährleisten, sind diese vorzugsweise aus Metall angefertigt. Andererseits soll das Dicht­ element 7, um den Verschleiß der Dichtleiste 3 gering zu halten, nicht aus Metall, sondern aus Kunststoff angefertigt sein, wobei aber eine dauerhafte, auf Wechselbeanspruchungen belastbare Stahl-Kunststoff-Verbindung schwierig herzustellen ist. Selbstverständlich ist zumindest eine Unterstützung des Öffnungsvorganges des Ventils auch bei anderen Ventiltypen von Vorteil.

Der Stempel 10 ist seinerseits unter Zwischenschaltung eines Anschlagtellers 11 mit der Ankerplatte 12 aus magnetisierbarem, relativ weichem Metall verbunden, vorzugsweise über die Schraube 13. Der Anschlagteller 11 ist aus einem nicht oder nur leicht magnetisierbaren, jedoch wesentlich härteren Werkstoff als die Ankerplatte 12 angefertigt, vorzugsweise aus ausscheidungs­ härtendem Chromstahl.

Die Schließfeder 8 stützt sich auf der dem Endteil 9 gegenüberliegenden Seite über zwei einander konvex zugewandten Tellerfedern 14, 15 ab, wobei die mit der Schließfeder 8 in Kontakt stehende Tellerfeder 14 auf einer Abkantung 16 der Innenwandung des Ventilkörpers 1 aufliegt und damit eine im wesentlichen ortsfeste Auflage für Schließfeder 8 darstellt. Die zweite Tellerfeder 15 stützt sich über eine Zwischenscheibe 17 gegen einen Distanzring 18 ab, der wiederum an der der Ankerplatte 12 zugewandten Seite des Elektromagneten 19 anliegt.

Der die Ankerplatte 12 und den Anschlagteller 11 umgebende Distanzring 18 ist aus einem etwa durch geringste Wasseraufnahme hoch maßhaltigen und tempera­ turbeständigen Werkstoff angefertigt, vorzugsweise aus einem mit Mineralstof­ fen, Carbon- oder Glasfasern hochgefüllten Kunststoff. Besonders bevorzugte Kunststoffe für diese Anwendung sind Polyphenylsiloxane (PPS), aber auch Polyätherätherketone (PEEK), Polyätherimide (PEI) und Polyphtalamide (PPA). Der Distanzring 18, der die Ankerplatte 12 auch mit geringer Reibung führt, weist eine auf den Anschlagteller 11 hin gerichtete Abkantung 20 auf, an welcher der radial über die Ankerplatte 12 hinaus auskragende Anschlagteller 11 zum Anschlag kommt, wenn sich die Ankerplatte 12 in ihrer dem Elektromag­ neten 19 nächsten Stellung befindet. Die Dicke des Distanzringes 18 von der Unterseite des Elektromagneten 19 bis zur Abkantung ist dabei aber immer größer als die Dicke der Ankerplatte 12, so daß auch bei vollständiger Öffnung des Ventils eine Freistellung zwischen Ankerplatte 12 und Elektromag­ net 19 erhalten bleibt. Selbst bei hohen Kräften und schnellen Bewegungen des Systems Ankerplatte 12, Anschlagteller 11, Stempel 10 und Endteil 9 verhin­ dert der harte Werkstoff des Anschlagtellers 11 eine Verformung der Anker­ platte 12 und verhindert so ein Anschlagen der Ankerplatte 12 am ebenfalls sehr weichen Werkstoff des Elektromagneten 19.

Der Elektromagnet 19, vorzugsweise ein Spulenmagnet mit dreischenkeligem Joch, wird - gesteuert über die Elektronik des Einspritzsystems - über die Anschluß-Gewindestifte 21 mit Strom versorgt, der über den Stecker 22 zuge­ leitet wird. Die vom Elektromagneten 19 ausgeübte Kraft liegt im Bereich von 200 bis 300 N, um die erforderlichen kurzen Steuerzeiten von unter 1 ms zu erreichen. Damit die Zeiten für Öffnen und Schließen des Ventils im wesent­ lichen gleich sind, werden die Kräfte von Elektromagnet 19, Schließfeder 8 und Öffnungsfeder 6 derart aufeinander abgestimmt, daß die Differenz der Kräfte von Elektromagnet 19 und der Anordnung der Öffnungsfeder 6 und Schließfeder 8 betragsmäßig gleich der Differenz der Kräfte von Schließfeder 8 und Öffnungsfeder 6 ist, so daß für das Öffnen und Schließen gleich großen Kräfte erforderlich sind und somit mittelbar gleiche Beschleunigungen auf das Dichtelement 7 wirken.

Dichtungen 23 an der Außenseite des Ventilgehäuses gewährleisten den dichten Einbau des Gasventils in das System, in das der vom Ventil ausströmende Brennstoff bzw. das ausströmende brennfähige Gemisch über den Brennstoff­ ablauf 24 eingeblasen wird.

Durch Drehung der Magnetspannmutter 2 kann der Abstand des darin fest gehal­ tenen Elektromagneten 19 und der Ankerplatte 12 eingestellt werden, wobei die Ankerplatte 12 im stromlosen Zustand des Elektromagneten 19 normalerweise durch die Wirkung der zumindest einen Schließfeder 8 auf den verbreiterten Endteil 9 des Stempels 10 ein ihrer Stellung mit dem größten Abstand zum Elektromagneten 19, d. h. der Schließstellung des Ventils, ist. Der Ventilhub und damit der direkt proportionale Öffnungsquerschnitt können dadurch genau eingestellt und kalibriert werden. Typischerweise werden der Ventilhub im Bereich von etwa 0,15 bis 0,3 mm und der Öffnungsquerschnitt im Bereich bis ca. 10 mm² liegen. Die Tellerfederanordnung 14, 15 gleicht diese Abstandsver­ änderungen für die Auflageposition der Schließfeder 8 aus, so daß diese im wesentlichen immer die gleiche Vorspannung behält und sich daher die Ventil­ charakteristik bei Verstellung des Ventilhubs nicht oder nur unwesentlich verändert.

Die Ausführungsform des Gasventils der Fig. 2 unterscheidet sich von der Ausführungsform der Fig. 1 durch eine andere Ausführung des Ventilsitzes, der in weiterer Folge auch Änderungen bei Dichtelement, Endstück des Stempels und Brennstoffzulauf nach sich zieht. Der übrige Aufbau unterscheidet sich nicht vom oben beschriebenen.

Der Ventilsitz des Gasventils der Fig. 2 besteht aus zwei Dichtleisten 25, 26, die beide im wesentlichen eben kreisförmig, in der gleichen Ebene und im wesentlichen konzentrisch, vorzugsweise koaxial, angeordnet sind. Die innere Dichtleiste 26 ist auf einer Scheibe 27 ausgebildet, die über zumindest zwei, vorzugsweise drei oder mehr Stege 28 - siehe dazu auch die Fig. 3 - an dem die äußere Dichtleiste 25 ausbildenden Teil des Ventilkörpers 1 gehalten ist.

Um die Dichtwirkung des Dichtelementes 7 nicht zu beeinflussen, erreichen die Stege 28 nicht die Höhe der Dichtleisten 25 und 26. Damit der Brennstoff bzw. das brennfähige Gemisch über beide Dichtleisten und damit durch den insgesamt höheren Ventilquerschnitt durch das Ventil strömen kann, sind Gaspassagen auch zur inneren Dichtleiste 26 vorgesehen. Diese Gaspassagen sind im dargestellten Ausführungsbeispiel durch zumindest einen zusätzlichen, vorzugsweise ebenfalls radialen Brennstoffzulauf 29, Öffnungen 30 im verbrei­ terten Endteil 9 des Stempels 10 und die zumindest eine zentrale Ausnehmung 31 im dadurch vorzugsweise ringförmigen Dichtelemente 7 gebildet. Alternativ dazu könnten auch Verbindungskanäle oder axiale nutförmige Ausnehmungen in der Innenwandung des Ventilkörpers 1 zur Verbindung des Ringraumes 5 mit dem oberhalb des Dichtelement 7 liegenden Raumes 32 vorgesehen sein.

Aufgrund des Vorhandenseins zweier, fast gleich langer Dichtleisten 25 und 26 ist der Ventilquerschnitt des in Fig. 2 dargestellten Gasventils bei gleichen Steuerzeiten wie für die erste beschriebene Ausführungsform fast doppelt so groß und liegt bei etwa 15 bis 18 mm². Durch strichlierte Linien ist eine Gasverteilerleiste 33 angedeutet, in welche das Gasventil über die Dichtungen 23 abgedichtet eingesetzt ist und in der sie durch eine die Magnetspannmutter 2 umgebende Klemmplatte (nicht dargestellt) fixiert ist.

Eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gasventils mit weiter vergrößertem Ventilquerschnitt ist in Fig. 4 dargestellt. Dessen Dichtelement 7 ist nun vorzugsweise in Spritzgußtechnik aus Polymer-Kunst­ stoff, insbesondere aus einem mit Mineralstoffen, Carbon- oder Glasfasern nach Möglichkeit isotrop hochgefüllten Kunststoff, angefertigt, um den Ver­ schleiß des Ventilsitzes 3 und auch das Gewicht des Dichtelementes 7 gering zu halten. Besonders bevorzugte Kunststoffe für diese Anwendung sind aufgrund ihrer hohen Maßhaltigkeit und Temperaturbeständigkeit wieder Polyphenyl­ siloxane (PPS), aber auch Polyätherätherketone (PEEK), Polyätherimide (PEI) und Polyphtalamide (PPA).

Die mehreren ringförmigen und konzentrischen Dichtleisten des Ventil­ sitzes 3 werden durch Umfangsstege 7a des Dichtelementes 7 überdeckt, zwi­ schen welchen Umfangsstegen 7a Ausnehmungen freigehalten sind, damit das Brennstoffgas den größtmöglichen Bereich der Dichtleisten erreichen kann. Die Anzahl der Umfangsstege 7a ist der Anzahl der vorhandenen Dichtleisten proportional, wobei im vorliegenden Fall fünf Dichtleisten und zwei Umfangs­ stege 7a vorhanden sind, da die innerste Dichtleiste durch den scheibenförmi­ gen zentralen Bereich des Dichtelementes 7 abgedeckt wird. Allgemein sind (n- 1)/2 Umfangsstege vorzusehen, wenn n die Anzahl der vorhandenen Dichtleisten bezeichnet.

Für die Verbindung von jeweils einem Paar von Umfangsstegen 7a, einer Gruppe von Umfangsstegen oder auch aller Umfangsstege und auch die nötige mechanische Festigkeit des Dichtelementes 7 sorgen dann dessen radialen Stege 7b. Die Zahl der radialen Stege 7b ist in weitem Maße an die Festigkeits- und Gewichtsanforderungen anpaßbar, wobei aber vorteilhafterweise zwischen zwei und sechs radiale Stege 7b vorhanden sein werden, vorzugsweise jeweils um gleiche Winkelbeträge voneinander beabstandet (2 Stege - 180°, 3 Stege - 120°, usw.). Auch die axiale Höhe der Umfangsstege 7a, d. h. die "Dicke" des Dichtelementes 7 trägt zur notwendigen mechanischen Stabilität bei. In Fig. 5a ist ein teilweiser Querschnitt (Ansicht entlang der Linie a-a der Fig. 5b) durch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dichtelementes 7 dargestellt, bei der zusätzlich zur zentralen Dichtscheibe 7c acht Umfangs­ stege 7a - für maximal 17 Dichtleisten - vorhanden sind, deren Höhe vom Zentrum nach außen hin zunimmt. Die Höhe der radialen Stege 7b nimmt dagegen nach außen hin ab. Wie in Fig. 5b zu erkennen ist, die in der oberen Hälfte eine Draufsicht auf das Dichtelement 7 zeigt und in der unteren Hälfte eine Unteransicht aus Richtung der Dichtleisten, sind 12 radiale Stege 7b vorhan­ den und jeweils zwei davon schließen miteinander einen Winkel von 30° ein. Am äußersten Umfangssteg 7a sind Anschlagbereiche 7d vorgesehen, die zur Hubbe­ grenzung des Dichtelementes 7 an einem gegenüberliegenden Anschlagbereich am Gehäuse od. dgl. vorgesehen sind.

Der Zentralbolzen 10 (siehe wieder Fig. 4) ist unter allfälliger Zwi­ schenlage von Distanzblechen 34 zum Toleranzausgleich durch vorzugsweise eine Verschraubung 13 mit einer in einem Distanzelement 18 geschützt angeordneten Ankerplatte 12 aus magnetisierbarem, relativ weichem Metall verbunden. An der Unterseite dieses hier als Büchse ausgeführten Distanzelementes 11 stützt sich auch die Schließfeder 8 ab.

Das Ventilgehäuse 1 weist eine innere Abkantung 35 auf, an welcher Anschlagbereiche der am weitesten nach außen reichenden radialen Stege 7b des Dichtelementes 7 und/oder Anschlagbereiche 7d der äußersten Umfangsstege 7a zum Anschlag kommen, wenn sich die Ankerplatte 12 in ihrer dem Elektromag­ neten 19, vorzugsweise einem Topfmagneten, nächsten Stellung befindet. Der Abstand von der Oberseite der Anschlagbereiche des Dichtelementes 7 zur Abkantung 35 bestimmt dabei den Ventilhub, vorzugsweise zwischen 0,1 und 0,3 mm, und ist vorzugsweise immer geringer als der Abstand der Ankerplatte 12 zur Unterseite des Elektromagneten 19 in geschlossenem Zustand des Ventils, so daß auch bei vollständiger Öffnung des Ventils eine Freistellung zwischen Ankerplatte 12 und Elektromagnet 19 erhalten bleibt. Selbst bei hohen Kräften und schnellen Bewegungen des Systems Ankerplatte 12, Zentralbolzen 6 und Dichtelement 7 ist derart ein Anschlagen der Ankerplatte 12 am ebenfalls sehr weichen Werkstoff des Elektromagneten 19 verhindert.

Damit die Zeiten für Öffnen und Schließen des Ventils im wesentlichen gleich und auch für alle im System vorkommenden Drücke gleich exakt einhalt­ bar sind, kann vorteilhafterweise ein Ausgleichskolben 36 als Einrichtung zur Kompensierung des Differenzdrucks am Dichtelement 7 vorgesehen sein. Dessen Druckangriffsfläche entspricht jener des Dichtelementes 7, so daß der am Dichtelement 7 angreifende Differenzdruck kompensiert wird. Für das Öffnen des Ventils muß der Elektromagnet 19 daher nur die Kraft der Schließfeder 8 und die Massenträgheit der Ankerplatte 12, der Distanzbleche 34, des Zentral­ bolzens 10 und des Dichtelementes 7 selbst überwinden. Damit können auch bei Ventilen mit großen Öffnungsquerschnitten kleine Elektromagnete 19 mit geringer Leistungsaufnahme eingesetzt werden. Der Ausgleichskolben 36 umgibt den Zentralbolzen 10 als im wesentlichen scheibenförmiger Bauteil, der mittels eines umlaufenden Dichtringes 37 gegenüber dem ihn führenden Ventil­ gehäuse 1 abgedichtet ist und damit auch gleichzeitig den Zentralbolzen 10 und das Dichtelement 7 im Ventilgehäuse 1 zentriert führt. Die Schließfeder 8 wirkt auf den Ausgleichskolben 36 ein und damit mittelbar auch auf den Zentralbolzen 10 und das Dichtelement 7. Eine Ausgleichsfeder 38, vorgespannt zwischen dem Dichtelement 7 und dem Ausgleichskolben 36, sorgt dafür, daß der Ausgleichskolben 36 immer unmittelbar an der Ankerplatte 12 bzw. den Dis­ tanzblechen 34 anliegt. Damit wird auch ein verschleißförderndes Gleiten des ebenfalls vorzugsweise aus Kunststoff angefertigten Ausgleichskolbens 36 vermieden.

Um die Schließwirkung der Schließfeder 8 nicht durch am Ausgleichskolben 36 anliegenden Druck zu behindern, sind Gaspassagen vom Brennstoffablauf 24 und/oder Abströmraum in einen Ausgleichsraum 39 auf der diesem Abströmraum 24 gegenüberliegenden Seite des Ausgleichskolbens 36 vorgesehen. Im vorlie­ genden Fall ist dies die dem Dichtelement 7 gegenüberliegende Seite des Ausgleichskolbens 36. Diese der Überströmung dienenden Gaspassagen sind im vorliegenden Fall vorteilhafterweise durch eine Zentralbohrung 40 im Zentral­ bolzen 10 mit radialen Ausströmöffnungen 41 in den Ausgleichsraum 39 und entsprechende radiale Öffnungen 42 im buchsenförmigen Teil des Ausgleichskol­ bens 36 realisiert. Sollte das Dichtelement 7 keine zentrale Öffnung aufwei­ sen, durch die der Zentralbolzen 10 hindurchreicht, ist selbstverständlich auch im Dichtelement 7 zumindest eine entsprechende Bohrung oder eine vor­ zugsweise mitgespritzte Durchtrittsöffnung vorzusehen. Nach dem Öffnen des Ventils folgt der Druck im Ausgleichsraum 39 dem zeitlichen Verlauf des Drucks im Brennstoffablauf 24 und dem dahinter liegenden Abströmraum mit einer zeitlichen Verzögerung, die durch die Drosselung in den relativ engen Gaspassagen bedingt ist. Dadurch kann sich die Wirkrichtung der auf den Ausgleichskolben 36 wirkenden Kraft kurzfristig umkehren. Es ist daher vorteilhaft, diese Gaspassagen hinreichend groß auszuführen, um die Dros­ selung möglichst gering zu halten.

Dichtungen 23 an der Außenseite des Ventilgehäuses gewährleisten den dichten Einbau des Gasventils in beispielsweise eine Gasverteilerleiste 33 des Systems, in das der vom Ventil ausströmende Brennstoff bzw. das ausströ­ mende brennfähige Gemisch über die Abströmöffnung 24 eingeblasen wird. Vorzugsweise ist das Gasventil durch eine die Magnetspannmutter 2 umgebende Klemmplatte (nicht dargestellt) fixiert.

Eine etwas vereinfachte Ausführungsform ist in Fig. 6 im Längsschnitt dargestellt, wobei in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen schon be­ schriebene Bauteile mit den selben Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Das Gasventil der Fig. 6 ist mittels der Klemmplatte 43 in der Gasverteilerleiste 33 fixiert. Der Elektromagnet 19 ist durch nach innen gerichtete Abkröpfungen des Ventilgehäuses 1 gegenüber diesem fixiert und unverrückbar gehalten. Im Ventilgehäuse 1 sind vorzugsweise radiale Brennstoffzuläufe 4, 29 zu den vom Dichtelement 7 abgedeckten, vorzugsweise konzentrisch kreisförmigen Dicht­ leisten im Ventilsitz 3 vorhanden, wobei mit den oberen Brennstoffzuläufen 29 im wesentlichen fluchtend Brennstoffpassagen 44 in einem inneren Anschlagring 45 vorgesehen sind, um dem Brennstoff den Zutritt zu den innersten Dichtleis­ ten zu erlauben. Zwischen einer inneren, ringförmigen Auskragung 46 dieses Anschlagringes 45 und dem Dichtelement 7 ist die Schließfeder 8 eingespannt, so daß der Anschlagring 45 gegen die Unterseite des Elektromagneten 19 und das Dichtelement 7 auf den Ventilsitz 3 gedrückt werden.

Am unteren Ende des Anschlagringes 45 ist eine vorzugsweise ebene Anschlagfläche 47 ausgebildet, an welcher die Oberseite des Dichtelementes 7 schließlich zum Anschlag kommt, wenn es vom Elektromagneten 19 durch Anziehen der Ankerplatte 12 und der mit dieser Ankerplatte 12 durch die Verschraubung 13 verbundenen Zentralbolzens 10 vom Ventilsitz 3 abgehoben wird. Die Höhe des Anschlagringes 45 ist dabei vorteilhafterweise so bemessen, daß bei vollständiger Öffnung des Ventils, d. h. bei an der Anschlagfläche 47 auflie­ gendem Dichtelement 7, immer noch ein geringer Abstand zwischen der Anker­ platte 12 und der Unterseite des Elektromagneten 19 bestehen bleibt. Damit können Beschädigungen der relativ weichen Ankerplatte 12 und des Elektromag­ neten 19 vermieden werden.

Um eine Einstellbarkeit des Hubes des Dichtelementes 7 und damit des Öffnungsquerschnittes des Ventils zu erzielen, ist das Ventilgehäuse 1 als Einstellelement mit einem Innengewinde 48 am unteren Ende ausgeführt. Dieses Innengewinde 48 greift in ein entsprechendes Außengewinde am äußeren Umfang des Ventilsitzes 3 ein und läßt über eine relative Verdrehung diese beiden Teile zueinander eine axiale Höhenverstellung zu, d. h. der Ventilsitz 3 kann gegenüber der Unterseite des gegenüber dem Ventilgehäuse 1 fixierten Elektro­ magneten 19 axial verstellt werden. Eine unerwünschte Verdrehung und damit eine Fixierung nach erfolgter Abstandseinstellung wird über die Verspannung mittels der Tellerfeder 49 verhindert. Die Schließfeder 8 drückt weiterhin das Dichtelement 7 auf den Ventilsitz 3 und den Anschlagring 45 gegen die Unterseite des Elektromagneten 19, so daß sich die axiale Verstellung von Ventilgehäuse 1 und Ventilsitz 3 auch auf den Abstand der Anschlagfläche 47 zur gegenüberliegenden Oberseite des Dichtelementes 7 überträgt und derart den möglichen Hub des vorzugsweise über Dichtungen und Gleitringe 50 im Ventilgehäuse geführten Dichtelementes 7 entsprechend vergrößert oder ver­ kleinert.

Claims (15)

1. Gasventil mit elektromagnetischer Betätigung, insbesonders als Brenn­ stoffeinspritzventil für Gasmotoren, mit einem über den Anker eines ansteuerbaren Elektromagneten betätigbaren Dichtelement zwischen dem oder jedem Brennstoffzulauf und dem oder jedem Brennstoffablauf und zumindest einer auf das Dichtelement wirkenden Schließfeder, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasventil als Flachsitzventil mit einem ebenen Ventilsitz (3) und einem Dichtelement (7) mit zumindest einer, diesem Ventilsitz zugewandten ebenen Dicht­ fläche ausgeführt ist.

2. Gasventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff­ zulauf (4) vorzugsweise radial in einen den Ventilsitz (3) unterhalb des Dichtelementes (7) umgebenden Ringraum (5) mündet.

3. Gasventil nach Anspruch 1 oder 2, mit zumindest einer Dichtleiste in Form einer geschlossenen Kurve, vorzugsweise im wesentlichen kreisför­ mig, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement (7) eine der Anzahl an Dichtleisten proportionale Anzahl von dem Verlauf der Dichtleisten folgenden Umfangsstegen (7a) aufweist, von welchen zumindest je zwei durch zumindest einen radialen Steg (7b), vorzugsweise eine Gruppe von radialen Stegen, miteinander verbunden sind.

4. Gasventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein radialer Steg (7b), vorzugsweise alle radialen Stege, vom Zentrum des Dichtelementes (7) ausgehen und alle Umfangsstege (7a) miteinander verbinden.

5. Gasventil nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Höhe der radialen Stege (7b) vom Zentrum zum Rand des Dichtelementes (7) hin abnimmt.

6. Gasventil nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement (7) eine zentrale Bohrung zur Aufnahme eines Betäti­ gungselementes (10) aufweist.

7. Gasventil nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Bereich buchsenartig axial verlängert ist.

8. Gasventil nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement (7) als Spritzgußteil aus Kunststoff, vorzugsweise aus einem Polymer, angefertigt ist.

9. Gasventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß der Ventilsitz durch zumindest zwei vorzugsweise konzentrische Dichtleisten (25, 26) gebildet ist, die einen ringförmigen Durchtritts­ querschnitt definieren, der durch ein vorzugsweise ringförmiges Dicht­ element (7) abgedeckt ist, und daß Gaspassagen zu beiden Dichtleisten vorgesehen sind, wobei die Gaspassagen zur äußeren Dichtleiste (25) vorzugsweise durch den oder jeden Brennstoffzulauf (4) und den allfäl­ ligen Ringraum (5) und die Gaspassagen zur inneren Dichtleiste (26) vor­ zugsweise durch zumindest einen vorzugsweise radialen Brennstoffzulauf (29), Ausnehmungen (36) im allfälligen Stempel (10) und die zentrale Ausnehmung (31) des vorzugsweise ringförmigen Dichtelementes (7) gebil­ det sind.

10. Gasventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß der Anker (12) über einen Stempel (10) auf das Dichtelement (7) einwirkt.

11. Gasventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die oder jede Schließfeder (8) auf den Stempel (10) einwirkt, vorzugsweise auf ein verbreitertes, zur Anlage am Dichtelement (7) vorgesehenes Endstück (9).

12. Gasventil nach zumindest einem der Ansprüche 1, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Schließfeder (8) das Dichtelement (7) bzw. den Stempel (10) auch radial in Richtung auf die Mittelachse der Ablauföffnung (24) hin mit einer zentrierenden Kraft beaufschlagt.

13. Gasventil nach zumindest einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine den Stempel (10) umgebende Schraubenfeder als Schließfeder (8) vorgesehen ist, die sich zum Dichtelement (7) hin bzw. zum Stempel (10) hin konisch verjüngt.

14. Gasventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß Stempel (10) und Dichtelement (7) vorzugsweise separate, unverbundene Teile sind und zumindest eine, das Dichtelement (7) in Öffnungsrichtung beaufschlagende Öffnungsfeder (6) vorgesehen ist.

15. Gasventil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz der Kräfte von Schließfedern (8)- und Öffnungsfedernanordnung (6) dem Betrag nach im wesentlichen gleich der Differenz der Kräfte des Elektro­ magneten (19) und der resultierenden Kraft der Federnanordnung (6, 8) ist.